2022, Vol. 49文章信息
引用本文 |
基金项目
- 国家自然科学基金(81860679)；云南省社会发展科技计划项目(2010CA027)
作者简介
- 郭婷(1995—)，女，在读硕士生，研究方向为药用植物设施栽培，E-mail：934793809@qq.com.
通讯作者
- 何忠俊(1962—)，男，博士，教授，研究方向为药用植物栽培与稳定同位素生态，E-mail：hezhongjun15@sina.com.
文章历史
- 收稿日期：2021-02-25
2. 云南农业大学农学与生物技术学院，云南 昆明 650201
2. College of Agronomy and Biotechnology, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China
【研究意义】三七〔Panax notoginseng（Burk.）F. H. Chen〕为五加科人参属植物，以块根、芦头入用药，味甘、微苦、性温[1]。研究表明，三七在人体血液系统、心血管系统、神经系统、免疫系统等多方面具有生理活性，尤其对心、脑血管系统疾病具有明显疗效，可降低心肌耗氧量、改善心肌缺血、抗心律失常、降血脂、降血压、抗休克等，同时，能改善脑血循环、保护实验性脑缺血等[2]。三七已有500余年栽培历史，初始道地产地为广西，后因各种原因迁移到云南省文山州，目前文山为三七的主要道地产地[3]。三七医用价值高、药效好，是多种中成药原材料，可以药食两用，还可以作为日化用品的开发原料，市场需求量大[4]。芦头在三七地下部分中所占比例小，但其皂苷含量高，主要用于制药企业提取皂苷组分的原料[5]。2016年云南省批准三七茎叶作为地方特色食品，目前三七茎叶多用于皂苷提取原料，也有部分作为袋泡茶饮用[6-7]；筋条和须根多用于药膳。云南是三七的主产地，近几年随着三七需求量快速增加，三七种植范围已由文山州扩展到云南省红河、曲靖、昆明、玉溪等13个州市[8]。广西百色、广东南雄等地也有种植，广西百色三七主要分布在百色的靖西、田东、田阳、德保等地，特别是靖西因自然条件适宜、三七的产量高、质量好而被誉为“三七之乡” [9]。“文山三七”第一批通过GAP基地认证，第一个获得国家地理标志保护中药材[7]，2016年《文山三七道地药材》行业标准发布实施。近年来，随着三七连作障碍加重、道地产区租地成本增加和三七需求量的增长，三七种植区域已由文山州向周边州市大面积扩展。道地产区三七产量不断缩减，促使三七产地从道地产区文山不断向外扩展，出现非道地产地三七充当道地产地三七现象，导致三七品质下降。
【前人研究进展】作为三七主产区的云南地质结构复杂，金属矿藏丰富，三七种植地土壤重金属背景值相对较高，再加上矿业活动的无序扩张以及含重金属农药的大量施用，重金属污染问题日益严重，已对三七药材的国际贸易及药品质量安全产生了严重威胁[9]。在三七种植过程中，部分种植者为减少病虫害、提高药材产量，大量施用化肥、农药，也导致三七重金属污染。林龙勇等[10]研究发现，三七须根、主根、茎、叶存在较为严重的镉（Cd）、铬（Cr）、铅（Pb）超标，其不同部位的3种元素超标范围分别为81%~100%、75%~100%、25%~ 63%；赵静等[11]研究发现，三七药材中As超标率为32.4%，Cd超标率为29.7%。三七作为大量中成药的原料，重金属污染问题可能会影响用药安全[12]，重金属元素的过量摄入对人体会产生一系列急、慢性的中毒反应[13]。Roy等[14]对种植于重金属冶炼厂周围的胡萝卜进行研究，发现食用该土壤中生长的胡萝卜会导致Cd摄入量超标，可能会对成人和幼儿造成重金属健康风险。Lukaski等[15]研究发现微量Cr（Ⅲ）可增强细胞产生胰岛素，但200 μg/L Cr（Ⅵ）就会引起人体细胞DNA突变。因此，三七的重金属含量特征及其健康风险是一个值得关注的问题。
本研究切入点】通过对三七茎叶、芦头、块根、筋条及须根5个器官中铜（Cu）、镉（Cd）、铬（Cr）、铅（Pb）4种重金属的含量特征进行试验分析，揭示三七各部位重金属转运特征，并对人体健康安全提出评价。【拟解决的关键问题】为三七药品安全性评价提供参考以及三七适宜种植地区选择提供一定理论依据。
1 材料与方法 1.1 样品采集及制备供试三七样品采自云南、广西、广东三七种植面积较大的地块，共43个采样点，包括：广东南雄- 广西靖西片区4个采样点，分别采于广西百色与广东南雄；云南文山州各县15个采样点，分别采于文山、砚山、马关、西畴、丘北和麻栗坡6个县；云南三七新拓展区域24个采样点，分别采于红河州泸西、石屏、屏边、蒙自、建水5个县，昆明市石林、寻甸、禄劝3个县，以及曲靖市罗平县、玉溪市红塔区、保山市腾冲县。在每个三七种植地块内随机采集三七植株样10~15株，以GPS精确定位并记录采样点的基本情况。
将三七植株带回实验室，用滴加洗洁精的自来水洗去泥土，再用含1% 柠檬酸的蒸馏水漂洗、去除表面附着的矿质元素，最后用蒸馏水冲洗干净，摊开晾干附着的水分，按茎叶、主根、芦头、筋条、须根分开，60 ℃烘干，粉碎过0.150 mm筛，装入自封袋备用。
1.2 样品测定方法采用HNO3-HClO4法消煮[15]，准确称取0.5000 g三七粉碎样品，加入10 mL HNO3和2 mL HClO4，在石墨消解仪中缓慢加热消煮至透明，用超纯水定容至50 mL；用电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS，Elan6100DRC型，美国Perkin Elmer公司）测定重金属Cu、Cr、Cd、Pb含量[16]。
铜、铬、镉、铅等试剂标准液浓度均为1 mg /mL（由中国计量科学研究院化学计量与分析科学研究所提供），其余试剂均为优级纯，水为去离子水。
1.3 数据分析试验数据采用Microsoft Excel 2010及SPSS 25.0进行统计分析。
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根据所检测的三七块根中Cu、Cr、Cd、Pb含量以及《中国药典》 [18]规定每日服用三七粉的最大限量值9 g，计算成人每周实际重金属摄入量，并与PTWI（mg）比较，评价其食用安全性。以AWI占PTWI的百分比即AWI/PTWI×100% 对食用安全性进行评价，所占比例越高，其食用安全性越低。
AWI（mg）=三七重金属浓度（mg/kg）×三七每周摄入量（kg/d）×7（d）
PTWI=PTWI（mg/kg）×成人体质量
周摄入量占PTWI百分比（%）=每周摄入量（mg）/ PTWI值（mg）
式中，AWI为成人每周实际重金属摄入量（mg），PTWI为成人每周可耐受摄入量（mg），成人体质量以70 kg计。
2 结果与分析 2.1 三七各器官重金属累积状况分析从表 1可以看出，43个三七样品中，茎叶、芦头和须根4种重金属元素含量均表现为Cu＞Cr＞Pb＞Cd，而块根和筋条则表现为Cr＞Cu＞Pb＞Cd。其中，广西靖西- 广东南雄与新拓展区三七5个器官的Cu元素含量均存在显著差异，Cr元素含量除须根外其他器官均存在显著差异，Pb元素含量在块根与筋条中存在显著差异、其他部位无显著差异；广西靖西- 广东南雄与文山州三七茎叶、芦头和块根的Cu元素含量存在显著差异；文山州与新拓展片区三七筋条的Cr元素含量存在显著差异、其他部位及元素均无显著差异；3个片区三七各个器官Cd元素含量均无显著差异。43个三七样品中，4种重金属元素最大含量均位于须根，Cu、Cr含量最高的为广西靖西- 广东南雄三七，分别为43.180、14.44 mg/kg；Cd、Pb含量最高的为新拓展区三七的须根，其含量分别为3.51、8.57 mg/kg；不同采样片区重金属含量有一定的差异，三七茎叶、芦头、块根、筋条和须根各个部位的Cu、Cr含量均表现为广西靖西- 广东南雄＞文山州＞新拓展区；三七各部位的Cd含量均表现为新拓展区＞文山州＞广西靖西- 广东南雄；Pb元素各个部位的含量趋势不同，其中茎叶、芦头、块根和筋条表现为文山州＞广西靖西- 广东南雄＞新拓展区，须根的Pb元素含量则表现为新拓展区＞文山州＞广西靖西- 广东南雄。
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由表 2可知，4种重金属元素在三七不同部位的分布均表现为地下部分含量高于地上部分，且地下部分重金属元素多集中于须根。其中，Cu元素在茎叶、芦头、筋条的含量与块根、须根差异显著；Cr元素在芦头、块根、须根的含量与筋条差异显著，茎叶与其他4个部位差异不显著；Cd元素在茎叶、芦头、块根、筋条的含量与须根差异显著；Pb元素在芦头、块根、筋条的含量与须根、茎叶差异显著，茎叶与须根的Pb元素含量也存在显著差异。
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参照2020版《中华人民共和国药典》 [18]，三七中Cu、Cd、Pb含量的限量标准分别为20、1、5 mg/kg，而Cr元素限量标准在2020版《中华人民共和国药典》 [18]以及《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准》 [19]中均未提出，因此本试验引用食品中污染物限量规定，在我国食品安全国家标准GB 2762-2017中规定的食物重金属Cr限量标准为2 mg/kg。依照上述标准，由表 3可知，43个三七植株样品不同部位表现出不同程度的超标现象，超标程度表现为Cr＞Pb＞Cd＞Cu，茎叶、芦头、块根、筋条、须根的Cr超标率分别为93.02%、100%、75%、18.51%、100%，Pb超标率分别为16.28%、2.33%、0、0、66.67%，Cd超标率分别为2.3%、2.3%、0、8%、68%，Cu超标率分别为4.65%、2.33%、0、0、48.15%，其中三七各个部位Cr元素超标显著，应加强三七种植区Cr元素的管控。三七不同部位间4种重金属元素超标率也存在显著差异，表现为须根＞茎叶＞芦头＞块根＞筋条，其中须根的Cu、Cr、Cd、Pb超标率分别为50.18%、100%、68.00%、66.67%，4种重金属含量超标率均超过50%，应加强对三七须根中4种重金属安全性的关注。
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2.2 不同产地三七对重金属元素的转运特征
转运系数（TF）常被用来评估化学物质在植物体内的迁移能力[20]。由图 1可知，4种重金属从三七地下部分迁移到茎叶的平均转运能力表现为Pb＞Cu＞Cr＞Cd，其中Cu、Cd、Pb平均转运系数均大于1，而Cr的转运系数则小于1，说明三七体内可能具有较强的Cu、Cd、Pb向地上部转运能力。在三七各器官中，块根向茎叶转移重金属的能力最强，芦头次之，须根最小，其中Cd元素由须根向茎叶的转移系数最小，仅为0.13，说明Cd元素从须根向茎叶的转移能力较差；Pb元素由筋条向茎叶的转移系数最大，为3.09，说明Pb元素由筋条向茎叶的转移能力最强。
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| 三七器官 Organ of Panax notoginseng 图 1 三七各器官4种重金属元素向茎叶的转运系数 Fig. 1 Transport coefficients of four heavy metal elements to stems and leaves in vavious organ of Panax notoginseng |
2.3 三七块根重金属健康风险初步评价
块根是三七的主要药用部位，因此对三七块根进行健康风险评价。根据所检测的三七块根中Cu、Cr、Cd、Pb的含量以及我国居民每周三七粉的摄入量，计算成人每周实际重金属摄入量（AWI），并与PTWI比较，评价其食用安全性，评价结果见表 4。43个三七样本块根的Cu、Cr、Cd、Pb平均每周实际摄入量（AWI）占PTWI的百分比分别为0.11%~0.27%、1.05%~1.84%、0.68% ~1.01%、10.21%~25.25%，平均分别为0.12%、1.45%、0.80%、16.84%，主要表现为Pb＞Cr＞Cd＞Cu。Pb平均每周实际摄入量（AWI）占PTWI的百分比最高为25.25%，平均为16.84%，Cd、Cu、Pb元素按照此标准摄入三七块根对人体健康风险相对较较低，尤其是Cu元素，其平均每周实际摄入量（AWI）占PTWI的百分比平均仅为0.12%，这可能是由于人体对Cu元素的代谢能力较强。广西靖西- 广东南雄、文山州、新拓展区3个片区三七的Cd、Cr、Cu摄入风险差异较小，广西靖西- 广东南雄与新拓展区三七的Pb摄入风险差异较大。评价结果显示，以所有三七块根重金属平均含量计算，4种重金属摄入量均未超过PTWI值，表明目前成人每周摄入该产地三七块根暂时是安全的，尚未存在食用安全隐患。
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3 讨论
本研究对3个片区43个三七样本的茎叶、芦头、块根、筋条和须根Cu、Cr、Cd和Pb元素进行测定，发现三七各器官中4种重金属元素含量均存在差异，整体表现为地下部分含量＞地上部分。三七根系不仅是吸收重金属的主要器官，其吸收的重金属元素也能不断地迁移到地上部位，而且三七块根作为药用的主要器官，对重金属的累积含量将对三七药用安全构成风险[21]。陈璐等[22]通过研究发现，三七不同器官对重金属的累积能力不同，其中须根对重金属的累积能力最强。重金属元素从土壤进入植物体内的过程与植物本身的遗传特性、主动吸收功能和对元素的富集能力有关，不同的植物对重金属元素具有不同的吸收和累积特性，植株的不同器官对不同重金属也有不同的吸收特征[23]，这可能是造成三七各器官重金属元素含量差异的原因。本研究发现三个片区的三七重金属元素含量差异较大，这与地质背景、土壤类型、化肥农药施用等有关[10, 24]。赵静等[11]研究发现，三七全部根系Cr、Cd含量存在一定的超标现象，超标率分别为37.8%、29.7%，Cu和Pb均符合规定标准，超标率为0。本研究将根系分为块根、筋条以及须根3个部分，发现须根中Cu、Cr、Cd、Pb元素超标较为严重，超标率分别为50.18%、100%、68.00%、66.67%；块根和筋条中仅发现Cr元素超标，超标率分别为75%、18.51%，其他3种元素均未超标。本研究仅对三七各器官Cu、Cr、Cd、Pb污染情况进行了研究，而未对土壤重金属污染进行研究，后期可根据加强三七产区土壤重金属污染状况的研究，以便对三七重金属污染进行全面的管控。
不同植物对不同的重金属转运规律不同。由于重金属不是植物必需营养元素，除超累积植物外，大部分植物尽量抑制重金属的吸收或避免其向地上部转运[17]。陈璐等[22]研究发现，Cr、As、Pb 3种重金属从地下部分转运到地上部分的能力较弱，而Cd、Hg从芦头转运到茎的能力较强。本研究中，Cu、Cd、Pb元素从地下部分运转到地上部分相对容易，而Cr不容易从地下部分运转到地上部分。与其他各器官相比，三七的须根向地上部分的转运能力最弱，因而最容易富集重金属元素。
重金属在人体内存在生物富集作用，长期摄入可能会引发人体一系列急慢性中毒反应[11]。人类长期摄入受Cu、Cr、Cd和Pb等重金属污染的中药材，会导致重金属在体内累积并造成一系列的中毒反应。孙兆帅等[25]通过目标危害商（THQ）对三七块根进行健康风险评估发现，通过食用三七而摄入As潜在健康风险最高，Cd风险最小，但Pb、Cd、As、Cu均不会对人体造成潜在健康风险。本研究发现，三七块根存在较高的Pb、Cd、Cr摄入风险，而Cu未发现存在摄入风险；同时，食用三七块根摄入Cr的健康风险最高，地区差异较大，Cu、Cd、Pb摄入风险较低，地区差异也较小。虽然4种重金属摄入风险低，但重金属会在人体产生生物富集作用，长期摄入会引发一系列急慢性中毒反应，因此应控制重金属的摄入量。
4 结论本研究结果表明，重金属Cu、Cr、Pb、Cd在三七各器官的分布存在一定差异，总体表现为地下部重金属含量高于地上部，器官间的累积特征总体表现为须根＞茎叶＞芦头＞筋条＞块根；对4种重金属的累积量表现为Cu＞Cr＞Pb＞Cd，超标的重金属主要是Cr，茎叶、芦头、块根、筋条和须根的超标率分别为93.02%、100%、75%、18.51%、100%。不同产地三七的4种重金属污染差异较大，各器官的Cu、Cr含量表现为广西靖西- 广东南雄＞文山州＞新拓展区；Cd含量表现为新拓展区＞文山州＞广西靖西- 广东南雄；Pb在各器官含量趋势不同，茎叶、芦头、块根和筋条表现为文山州＞广西靖西- 广东南雄＞新拓展区，须根则表现为新拓展区＞文山州＞广西靖西- 广东南雄。
4种重金属从三七地下部分迁移到茎叶的平均转运能力表现为Pb＞Cu＞Cr＞Cd，且Cu、Cd、Pb平均转运系数均大于1，而Cr的转运系数则小于1，表明三七具有较强的Cu、Cd、Pb向地上部转运能力。在三七各器官中，向茎叶转移重金属的能力表现为块根＞芦头＞筋条＞须根。
本研究中，不同产地三七块根重金属Cu、Cd、Pb日摄入量占FAO/WHO规定的CDI/ADI百分比均较小，对人体的健康风险较低，而Cr的百分比达到50.88%，对人体摄入风险较高。不同产地三七块根重金属Cu、Cr、Pb的摄入风险大小为广西靖西- 广东南雄＞文山州＞新拓展区，Cd摄入风险为新拓展区＞文山州＞广西靖西- 广东南雄。
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（责任编辑 邹移光）